大量程绝对式直线时栅拼接方法与实验研究

作     者：王中行 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭凯;刘作林

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：时栅 二次调制 大量程 绝对式 拼接结构 

摘      要：现如今随着制造业的不断发展,位移测量器件及其技术作为反馈位置信息的关键组件之一越来越受到重视,量程在数米以上、系统精度在微米级的高精度绝对式位移传感器在精密加工领域得到了广泛的应用,如大型龙门加工中心和大行程直线电机等。目前,在这一领域主要使用的是绝对式光栅传感器,它具有测量精度高、环境适应性好等优点,已有非常成熟的产品,但光栅传感器存在对应用环境要求较为苛刻,高精度光栅价格昂贵等问题,并且我国光栅长期依赖国外进口,国内的光栅制造技术相对落后。因此,为了跳出这一受制于人的“卡脖子局面,我国急需一款自主研发的高精度测量传感器。为此,作者所在团队长期潜心致力于时栅传感器的设计和研发工作,由国人自主创新,基于提出的时空转换理论,将空间位移测量转变为时间量的测量,历经二十余年的发展,电场式时栅传感器已实现大量程、高精度的绝对位置测量。本文在前期研究的基础上,提出一种信号二次调制的反射式时栅位移传感器,实现动尺的无源设计,并通过拼接结构及方法,成倍的拓展测量范围,摆脱制造对时栅传感器量程的限制。本文围绕该传感器做出的工作如下:1)提出了基于时栅的信号二次调制理论。将第一级传感单元输出的行波信号作为第二级传感单元的激励信号再次使用,通过这种信号调制后再次使用的方式增加了组合后传感器的周期数,实现了动尺的无源设计,增加了传感器测量分辨率;2)设计了基于二次调制原理的绝对式传感器结构。再次利用二次调制原理将第一级传感单元的输出信号作为第三级传感单元的激励信号使用,第二级与第三级传感单元相差一个周期数,两者构成差极结构以类似游标卡尺的测量方式实现绝对定位,并对信号调制前后的周期内误差机理进行分析,说明了电场非线性分布情况下所带来的测量误差规律;3)提出了基于二次调制原理的时栅位移传感器的拼接结构与方法。利用机械式拼接方法,将两段或多段时栅传感器首尾相接以拓展量程,通过拼接结构在拼接接缝处将感应行波既作为位移测量信号,又作为位置判断信号进行编码与解码切换位移数据,避免拼接误差带来的影响,结合单段上的绝对定位实现满量程上的绝对位置测量。4)实验验证平台搭建。为了验证前文所提出的结构与方法,利用PCB工艺制造了长度L=400mm的传感器样机,设计了信号处理硬件电路与软件处理程序,搭建了精密可靠的实验测试平台。5)实验验证与结构优化。通过实验测试了第一级传感单元的周期误差与信号调制后第二级传感单元周期误差之间的关系,对结果进行分析得出结论,信号经过调制后的周期内误差是各级传感器在同一测量范围内误差的叠加。验证了拼接方法的可行性,对传感器结构进行了优化,能够实现在3*400mm范围内测量精度达到±5μm,重复性较好。